人类变身机器人不是梦,钢铁侠之骨骼机器人

欧美等发达国家康复机器人产业起步较早,目前,包括美国和以色列的产品在内,平均一台外骨骼机器人的价格在60-100万人民币之间。国外外骨骼机器人公司主要包括B-Temia、Lockheed Martin、Bionic Power等。

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相信看过阿汤哥主演的《明日边缘》的观众们都知道,外骨骼能使得人类跑得更快、跳的更高、更具攻击性。不久的将来,类似的外骨骼将出现在人们的日常生活中。

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无论是仅有86克的微型机器人RoboBee,还是靠着体内化学反应自驱动的软体章鱼机器人,哈佛的机器人研究绝对首屈一指。机器人研究只有你想象不到,脑洞大开让人惊叹,原来机器人还可以这样!

一、 行业概述

刚开始外骨骼作为一项军事研究项目,旨在帮助士兵们背负大量的负荷。随后该研究成果被广泛应用于医学、康复治疗、建筑行业,不久的将来甚至会应用到体育事业中。

B-Temia

就在上个月,哈佛又推出了今年的明星产品——Warrior Web,这款机器人是美国国防部先进研究项目局早期支持的项目,它非常的轻便,通过为传递者提供下肢肌肉平行助力来增强其运动机能,降低在崎岖地形行军的疲劳损耗并提高行军速度。而这种可穿戴、为人类提供助力的机器人在学术上有个十分形象的称呼——外骨骼机器人。

康复机器人目标是实现替代或辅助康复治疗师,简化传统"一对一"的繁重的治疗过程。

“可以想象,当越来越多的人利用外骨骼时,那将是机器人的世界。”Ekso Bionics的创始人及行政长官Nate Harding表示,“人们将跑得更快、跳的更高,老太太们会跟我们炫耀她们的外在髋关节。”

B-Temia成立于2010年,是加拿大一家生物技术开发商和制造商,其研发的外骨骼专利技术应用于医疗、工业和军事领域,可提高用户的机动能力、力量和自主能力。

作为机器人领域的一个分支,外骨骼机器人的研究从1960年开始从未间断,而这项技术不仅可使人类拥有大力水手、钢铁侠般的超能力,更是帮助残疾甚至瘫痪人士重新站立行走。如果说2018年机器人市场的规模将达1031亿美元之高,那么外骨骼机器人则是定这千亿市场不得不提的一个领域。

目前康复机构配备主要是多自由度的牵引式/悬挂式康复机器人,但近年来在此基础上技术升级的穿戴式康复机器人即外骨骼机器人异军崛起。

用机器人武装个人

Lockheed Martin

纵观全球的外骨骼机器人研究情况,由于只是一个概念性的定义,外骨骼机器人产品的形态各异,当然也出现了不少堪称奇葩的产品。目前外骨骼机器人市场玩家虽形成增强型和康复型两大阵营,但市场表现却不温不火。是什么限制了外骨骼机器人市场的发展,入位的各位玩家未来又该如何拓展市场呢?

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Harding在一次会议上讨论了机器人的未来,与他一同参会的还有一位22岁的截瘫患者Shane Mosko。之前他不得不与轮椅为伴,而在外骨骼的帮助下他已经可以独立行走,这震惊了在场的所有听众。

Lockheed Martin创建于1912年,是一家美国航空航天制造商。公司在1995年与马丁·玛丽埃塔合并,并更名为洛克希德·马丁公司。目前洛克希德·马丁的总部位于马里兰州蒙哥马利县的贝塞斯达。

半个多世纪的难题:意图获取

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。

“这就好像用一个机器人武装个人”Harding解释道。“在Shane的个例中,我们可以看到他已经能在没有帮助的情况下独立行走。这对长期以来被困在轮椅上的患者来说具有非常积极的影响。”

2014年3月19日Lockheed Martin收购了总部位于德国的BEONTRA,后者是一家为包括迪拜、伦敦和法兰克福在内的大型商业机场提供预测服务的公司。2015年7月,洛克希德·马丁宣布,将收购合技术旗下的西科斯基飞机公司,价格超过80亿美元。

外骨骼原指为生物提供保护和支持的坚硬外部结构,比如蟑螂、甲虫等硬壳昆虫或虾、蟹之类的甲壳类动物。人类、鸟类等具有皮毛的动物则都属于内骨骼结构。而在外骨骼基础上加上机器人的概念则意味着,它可自主移动。

外骨骼康复机器人在康复及疗养领域上有着巨大的潜力,这类系统不仅能够对行动障碍进行治疗,也能够对自闭症类群、多动症等社会障碍进行干预治疗,未来还将在孤独老人陪护、推迟老年痴呆症的发生等方面发挥独特的作用。

Mosko的大腿到脚底板被外骨骼包裹着,背部的小背包为外骨骼提供必须的能量,两根拐杖用来辅助行走平衡。

Bionic Power

外骨骼机器人也称可穿戴机器人,融合传感、控制、信息、融合、移动计算等技术于一身,涉及拟人化机械结构设计、驱动系统选择、能源问题及控制系统原理等关键技术。

二、 外骨骼康复机器人行业概况

“我已经使用该装置大约两年了,比正常人走路慢不了多少。”Mosko解释道,“我之前一直瘫痪在轮椅上,没有人会认为我可以站起来,更别说行走了。但是正如你们所看到的,在外骨骼的帮助下我做到了。”

Bionic Power是一家专注于可穿戴充电技术开发的公司,具体来说就是利用人体运动时产生的动能来发电并给电池充电[1]。在这一理念下,Bionic Power开发出了第一款仿生膝盖PowerWalk动能收集器,佩戴这一产品能让人在行走时产生10-12瓦的输出功率。另外,Bionic Power也在探索PowerWalk在娱乐休闲和应急准备中的能源替代应用,计划开发出消费级别产品给大众提供一种自给自足的能源供应方式。

与服务机器人、教育机器人等不同的是,外骨骼机器人需要与人体接触,通过传感器收集人体意图,进行机械反馈,而如何准确获得人体的意图,也正是外骨骼机器人研发的难点,而如今人工智能技术的发展,将有望解决这一开发难题。

外骨骼机器人以其独特的优势在残疾人辅助及后期康复替代传统康复机器人潜力巨大。

“有了这个设备,我们可以重拾行走的能力。只要电池允许,我就能一直走下去。这仅仅是开始,随着技术的发展,明天会更加美好。”

2017年12月份,Bionic Power获得加拿大政府百万加元级别的合同资助,以扶持其技术创新。

与水下机器人类似,外骨骼机器人的最初研究也是在军用领域。早在上世纪60年代,美国军方便率先开展了外骨骼机器人的研究,目的是设计增强型军用装甲,同期康奈尔大学也开展了外骨骼机器人的研究,至今已有半个多世纪了。早期的一批研究机构还包括,知名院校如MIT、加州伯克利分校、密西根州大学等。

外骨骼机器人基于仿生学和人体工程学的设计使其拥有末端牵引式康复机器人无法比拟的治疗效果与用户体验,不仅适合康复中心等机构用户,而且在个人用户普及方面显示出巨大潜力。

5年内,外骨骼将应用到建筑领域

Bionik Laboratories

美国和日本在外骨骼机器人的研究上起步较早,研究成果和专利也更为丰富。尤其在动力系统方面,不仅出现了电力驱动、液压驱动甚至是气动等多种方案。这三种方案适用于不同的产品,也各有优势,电力驱动的机器人的动力更强劲,但人体负重较大,而液压驱动和气动的机器人则较为轻便。

在残疾人辅助方面,美国早在2013年就有超过27万瘫痪患者,初步估计已有高达189亿美元的市场空间;在后期康复方面,根据美国瘫痪协会统计,87.1%的病人的中后期康复选择在家解决,因此外骨骼机器人在此领域的前景更为广阔。

外骨骼被设计用来帮助截瘫患者获得站立、行走的能力,同时也用来帮助中风患者再次学会如何行走。它可以通过拐杖上的按钮进行控制,当然这还与佩戴者的体重息息相关。

Bionik是成立于2010年的一家加拿大创新型医疗机器人公司,致力于为身体活动受限的患者提供医疗解决方案。2016年Bionik公司以2365万美元收购了沃特顿康复机器人公司InteractiveMotionTechnologies。Bionik的团队将继续专注于开发创新型医疗机器人,来改善成千上万人的生活。

而中国的外骨骼机器人目前仍以学术研究为主,中科院、电子科技大学、北航等都在开展外骨骼机器人的研究。除了学术研究外,部分院校还开始探索“产学研”的模式,如依托于北航的大艾机器人、东南大学与科远股份的合作研究等。

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该设备能帮助穿戴者在行走过程中保持前倾的姿势,左右的轻微摇摆也更符合自然行走的状态,而非机器人僵硬的步伐。外骨骼仍在探索究竟为穿戴者提供多少能量才合适,从而同时帮助穿戴者恢复肢体的固有力量。

ReWalk Robotics

市场“鱼龙混杂”

国内康复机器人行业尚处于机构用户普及阶段,进入到临床应用的只有牵引式/悬挂式康复机器人,外骨骼康复机器人行业保守潜在市场空间约180亿。

“我们的技术始于军事领域,最初用来搬运重物。我们与合作伙伴Lockheed Martin仍致力于该方面的研究,并将人们在体育运动中以及截瘫患者的特点融入到技术中。”

以色列外骨骼系统提供商ReWalk Robotics于2014年9月在纳斯达克上市,该公司制造可穿戴外骨骼动力设备,帮助腰部以下瘫患者重获行动能力,ReWalk于2012年获得欧盟认证,进入欧洲市场,2014年6月ReWalk的外骨骼产品通过了美国药物与食品管理局的审批,是首款也是唯一一款获得FDA批准的外骨骼产品。

在市场方向上,外骨骼机器人的玩家主要战队两大阵营:增强型、康复型。增强型主要在于军事和工业用途上,康复型主要应用于医疗领域,帮助行动不便者重获行走能力。

我国包括脑瘫、偏瘫、截瘫等后遗症在内的下肢运动功能障碍残疾人有近1500万,因衰老所致步行能力丧失的失能老人近4000万,同时每年脑损伤、脊髓损伤新发2000多万患者。

“如今我们正展望该技术应用到建筑行业,建筑工人借助外骨骼能拿起沉重的工具或者在外表面作业。这就是我们下一阶段主攻的方向。5年内,你将会见证外骨骼应用在建筑行业以及医疗事业中。一个麻痹症患者借助外骨骼就能出席聚会,是不是很神奇?”

Motorika Medical

我们整理了国内外的外骨骼机器人玩家,发现松下、Festo等大公司已经入局外骨骼机器人的研发,同时,美国、加拿大、中国也出现了不少创企,并推出了多款产品。

而亟需康复技术人员约35万人,但从事康复工作的专业人员还不到2万人。因此,增加外骨骼康复机器人来协助进行康复训练意义重大。

以色列公司Motorika Medical成立于2004年,拥有集传感技术、生物反馈技术和人机交互技术于一体的ReoGo上肢康复机器人不仅提供了上肢运动障碍的早期功能性的被动-助动-主动模式的康复训练,同时,其独有的5级运动模式和感统训练方法对患者的脑中枢神经系统的重塑起着革命性的影响。

1、增强型外骨骼机器人公司

三、 国内外主要外骨骼康复机器人盘点

Hocoma

增强型外骨骼机器人公司主要在美国和日本。成立于2000年的日本Tmsuk公司在2004年推出了被称为“超级救援机器人”的T52Enryu液压驱动机器人,这款机器人重大达5吨,身高达3米,在长冈技术科学大学的测试中,T52Enryu举起了一辆汽车。这款机器人对于位于环太平洋地震带上,对于地震频发的日本来说,在救援和现场清理有很大帮助。

现有的康复机器人,按照针对躯体的部位可分为:上肢机器人,下肢机器人;按照功能划分可分为康复训练机器人和辅助行走机器人。

瑞士HOCOMAAG公司成立于1996年,与欧美多国高校合作研发高端康复治疗与训练产品。作为全球第一的医疗康复机器人品牌,其医疗康复机器人在人体工程学、电子传感器、计算机软硬件和人工智能等众多方面具备先进技术。

在外骨骼机器人大推力的竞赛上,美国老牌工业企业Sarcos Robotic动作更加频繁,这家公司在2002年开始转战路线,开发商业机器人,并相继推出了Guardian XOS系列,S系列等多款外骨骼产品,涉足军工、航空、航海以及安全等多个领域。Sarcos的外骨骼机器人主要具备三大特点:通过操作者的反应和直觉来控制机器人、利用传感反馈使操作者可看见、听见或感觉到机器人的感官、随身携带电源可支持数小时紧急自主操作。

形象的说,康复训练机器人就是教你怎么去走,辅助行走机器人就是帮你一步步走。康复训练外骨骼机器人有以下几大知名品牌:瑞士Hocoma、美国Woodway、中国大艾等,辅助行走外骨骼机器人主要有:以色列Rewalk、美国EKSO、日本Cyberdyne、新西兰Rex Bionics等。

2016年9月,Hocoma将与DIH蝶和科技强强联手重构全球智慧康复行业生态,共创现代康复医疗的崭新未来。

世界上最大的国防承包商Lockheed Martin与Berkeley Bionics合作并研发出军用外骨骼机器人HULC。这一设备的体积并不大,可轻松放入拉杆箱中,而穿戴起来也十分方面,只需将脚踩在托盘上,固定好大腿、腰部和肩部的系带,HULC就可通过传感器获得行动者的意图,并驱动液压组建做出相应动作,保证设备的动作与穿戴者一致。

(一)辅助行走外骨骼机器人

2、国际三大主流康复型企业

1、ReWalk:全球首家获得FDA 的外骨骼机器人

目前市场上做康复型外骨骼机器人的公司较多,而我们的统计不包括大型医疗康复设备,仅仅指的是可穿戴并可进行自由活动的外骨骼机器人,在这些机器人中由以下肢辅助机器人为主,主要面向瘫痪、中风、衰老所导致的行动不便。

以色列Rewalk科技公司是全球民用外骨骼系统龙头,该系统的主要用途是协助下肢瘫痪的病人能够再次站立行走。

以色列的Rewalk、日本的Cyberdyne、以及美国的Ekso,以及成为这一领域的三大主流公司。以色列的Rewalk成立于2001年,现已推出两款外骨骼机器人产品Rewalk Personal和Rewalk Rehabilitiation。前者适合在家庭、工作等社交环境使用,后者则主要针对临床修复,为患者提供物理治疗方式。

ReWalk于2012年获得欧盟认证。2014年ReWalk的外骨骼产品通过了美国药物与食品管理局(FDA)的审批。

2004年,在日本政府的资助下,日本筑波大学教授山海嘉之成立了Cyberdyne公司,次年便在爱知世博会上推出其旗舰产品HAL,并凭借这一系列机器成为日本最著名的机器人公司。HAL重达23公斤,由充电电池驱动,续航时间接近2小时40分钟,它可以通过运动神经元获取大脑的神经信号,它最神奇之处在于可探测到皮肤表面非常微弱的信号,之后通过动力装置控制肌肉和骨骼的移动。在HAL的帮助下佩戴者不仅可以进行正常的日常生活,还可以完成站立、步行、攀爬、抓握、举重物等高难度动作。

目前,ReWalk Robotics 旗下共有两款产品,分别是ReWalk Personal和ReWalk Rehabilitation,前者主要针对个人用户,适合家庭、工作或社交环境中使用,帮助患者站立、行走和爬楼。

20世纪末UC Berkeley也开始了外骨骼机器人的研究,并研发出可通过控制杆进行操作的电力增力型外骨骼机械手。2005年作为UC Berkeley机器人和人体工程学实验室的研究分支的Berkeley Bionics成立了,2009年与Lockheed Martin共同利用HULC技术开发出智能仿生外骨骼“eLEGS”,帮助残障人士回复站立和走路功能。

后者则是针对机构用户,用于临床修复,为瘫痪患者提供物理治疗方式,包括减缓瘫痪导致的肢体疼痛、肌肉痉挛、帮助肠道消化系统、加速新陈代谢等。

两年后,该公司更名为Ekso Bionics,也就是康复型外骨骼机器人三大主流公司之一。在公司更名的同时,其产品eLEGS也更名为Ekso GT,2016年这一产品获得了FDA的认证,成为首个获得FDA许可的用于中风及偏瘫患者的外骨骼设备。这一产品的手机高达10万美元,如此高昂的价格也自有道理,它包含FirstStep、ActiveStep和ProStep三种行走模式,目前在全球179多个康复中心使用。去年该公司还推出了Smart Assist和Ekso Pulse两款辅助软件,前者可为医生和理疗师提供最新的治疗方案,Ekso后者则可在线衡量病人康复进展情况。

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3、国内玩家近年初现

Rewalk Personal 6.0 

中国在外骨骼机器人上的研究始于2000年左右,而在市场方面,我国也有有一些上市公司和创企在做相关研究,并推出几款针对下肢恢复功能的外骨骼机器人,但目前为止还没有一家公司获得CFDA的认证,商业进展也处于初步阶段。

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近日,国内外骨骼机器人创企傅立叶智能宣布完成了3000万的A轮融资。这家已19世纪伟大的数学家名字命名的的公司,成立于2015年,目前已推出了两款产品上肢力反馈运动控制系统Fourier M2以及下肢外骨骼机器Fourier X1。

Rewalk Rehabilitation

无独有偶,就在春节前,北京的一家外骨骼机器人公司大艾机器人也传出了融资消息,而这家公司则是外骨骼机器人领域产学研的代表。这家公司的研究团队全部来自于清华、北航等知名高校,其董事长帅梅还是北航机电系的副教授。目前,他们已经推出了两款产品,其中Ailegs艾动主打下肢损伤中后期康复训练,而Aiwalker艾康则配有移动台架,供早期康复患者使用。

Rewalk作为第一个通过美国FDA的医疗外骨骼系统,最为独特的一项功能就是拥有“自然步态”——能够提供一种更自然的行走功能。

除了这两家最近活的融资的公司外,位于杭州的尖叫科技也推出了名为Scream One的实时人体交互步态移动外骨骼机器人。

所谓自然步态就是外骨骼系统能经过一段时间的磨合之后根据使用者的行走习惯和肌肉运动进行精密计算,最终“模拟出”最适合使用者的步态和移动速度,目前全球只有 Rewalk的产品具备这项功能,同时这种用到的核心设备倾斜传感器技术专利到2021年才到期。

多数的外骨骼机器人都是采用刚性驱动,而深圳的迈步机器人在去年年末推出的BEAR H1则采用了柔性驱动器作为输出,不仅提高了力控制时的稳定性和精度,还降低了设备与使用者间的摩擦,提升了使用的安全性也节省了设备的能量消耗。同时,BEAR H1的价格仅为国外同类产品的一半甚至三分之一。而值得一提的是,这家成立于2016年的创企,其联合创始人陈功、叶晶均为投身创业大潮的海归博士。

2、Ekso Bionics:军事、医疗多方位发展的外骨骼机器人

此外,国内还有尖叫科技、峰湃科技以及程天科技等初创公司。而在美国和加拿大也出现了Superflex、SuitX、TréxōRobotic等外骨骼机器人初创企业。虽然目前各家的产品已初具形态,但在技术和用户体验上尚有很大的提升空间。

EKSO是美国的一家企业,创立于2005 年,2012年拿到FDA医院使用许可,ESKO 因为有美国国防部背景,所以在军事、民用、救援、医疗进行了多方位的尝试。

市场为啥不温不火?

在医疗方面,ESKO已有两款医疗外机械骨骼于2012年上市,使用了铝合金、钛合金、碳纤维等金属和复合材料,创建了高精度的感应器、微型驱动马达、拟人关节,配备了速度极快的中央处理器和强大的软件系统。

外骨骼机器人最成熟的应用领域是在医疗康复,而在医疗康复领域则存在两大痛点问题,一是在康复领域主要采用人工进行一对一的训练,在治疗案例以及数据上也十分欠缺,这就导致康复领域尚未有标准化的流程,加之国内专业的康复师极其缺乏,医院的治疗效率有待提高。二是即便是在医院训练过的患者,有些在训练后还会有后遗症,这将使其在生活中遇到走路不便等障碍。

目前用户可根据自身的情况和康复进度选择3种不同的康复模式: FirstStep(康复治疗师辅助进行)、ActiveStep(用户自主控制模式)和 ProStep(自动感应用户身体动作触发每一步)。

在使用外骨骼机器人进行训练时,医生为外骨骼机器人设置参数,接下来就由外骨骼机器人带领患者进行一步一步的重复性训练。与一对一治疗相比,在外骨骼机器人的帮助下,一个医生可实现一对十,甚至是一对二十的效果,效率也极大的提升了。

Ekso产品的最大优势是得力于美国军方的肯定,常年与美国国防高级研究计划局DRAPA 有合作项目,在开发军用设备方面与洛克希德马丁公司也有合作。

目前,国内的外骨骼市场没有发展起来的原因,最大的绊脚石依然是技术本身。首先,我们前面也提到对人体意图的收集是最难的点,其次,由于两足行走是非常复杂的,而把人放在机器里也有极大的安全风险的,因此国内的医疗器械是需要通过CFDA认证才可上市销售的。此外,除了受控制最严格的环境,而这些外骨骼机器人仅能因对一些特定情况,对于更多的情况则束手无措。

Ekso在军事上研发的产品Bleex使美国军方产生了极大兴趣,DARPA为此进行了相关拨款。随后Ekso开始涉及医疗外骨骼机器人,在医疗方面产品质量非常过硬,制造材料全都是同级别中最先进的,由此也带来了高成本的问题,Ekso产品的单价比Rewalk昂贵得多。

结语:外骨骼市场亟待挖掘

Ekso Bionics

据调查显示,目前我国的康复医院中民营的比例已达到58.1%,相对于公立医疗机构壁垒高、建设费用高等问题,民营医疗机构的采购周期短、更注重性价比,这将为国产外骨骼机器人提供市场机会。

3、Cyberdyne:意念控制的外骨骼康复机器人

无论是增强型还是康复型外骨骼机器人,都将是实实在在解决人类生活中的问题,市场的存在就决定了外骨骼机器人技术存在的必要。而目前外骨骼机器人市场的技术、资金、人才等都不充足,还有待开发。

2001年,日本筑波大学三阶吉行教授和他的研究小组正式推出了HAL(Hybrid Assistive Leg)系列混合助力腿外骨骼机器人,用户全身都可以穿戴外骨骼机器人。

文章来源: 亿欧网

2008年HAL正式发布,2013年成为全球首个获得安全认证的机器人外骨骼产品(ISO/DIS 13482)。

2014年3月,Cyberdyne在东京上市,是日本首家生产医用及社会福利事业用机器人的公司上市。公司2013年接收到诊所使用的CE认证,积极推广在欧洲的市场,目前打算申请美国FDA认证。

HAL作为助力外骨骼机器人最大的优势是“实现意念控制”,即大脑向筋骨系统发出的运动指令而动作,身体在动作的时会有微弱的生物电位信号溢出到皮肤的表面,采集皮肤上的生物电驱动外骨骼系统做相应的动作的,外骨骼可以通过这套系统探测人体肌肉的发力点从而介入工作。

除此之外,工伤保险 租赁的组合使用方式成为它又一大优势,在德国,使用机器人套装HAL的治疗已经可以使用工伤保险,同时患者可以支付5200美元左右的初期导入费后,就能够以每月大约1700美元的价格进行租赁使用。

目前日本政府已将其列入“日本 Life Innovation 大国战略发展计划”,如果美国FDA审批能顺利通过,Cyberdyne将有望实现巨大盈利。

4、Rex Bionics:无支撑式独立行走外骨骼康复机器人

Rex Bionics是新西兰的公司,Rex最大的优势是支持无支撑式独立行走,外骨骼的操纵杆安置在扶手内,操作无需手臂力量,适用于更广泛的顾客群体。

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表面采用了坚固的轻质材料,从下至上的多处尼龙搭扣以及腰间的宽腰带将使用者的身体与外骨骼捆绑在一起。为了兼容轮椅的操控习惯,Rex用腰间的两个操纵杆进行姿态控制。

Rex重量为38公斤,由一个轻便充电池提供动力,充电一次可全天使用。每个Rex装置都是为病人度身订造的,预计售价最少约15万元。Rex是唯一一家无需拐杖支持的自助式设备,适用于四肢瘫痪患者,即便是下肢瘫痪患者,也可以彻底解放双手。

5、松下外骨骼:充气式与软体式外骨骼机器人

松下充气式外骨骼,肘部和腕部装有传感器控制8块人造肌肉,人造肌肉内装有压缩空气,用于挤压瘫痪的部位,帮助偏瘫患者。

当外骨骼的传感器检测到使用者弯腰举起重物时,电机通过传动装置为人体的四肢提供外部动力,减少人体的负担,实时分析使用者的活动信息,并给予恰当的力量辅助,让你用很小的力就可以搬起各种重物。

今年10月,松下公布了一项研究外骨骼在医疗上的研究成果,通过运用软体机器人原理,这套人造外骨骼可以支撑多种人类肌肉运动,包括转身等常规外骨骼无法实现的动作,是第一款可以使穿戴者转身的外骨骼。

传统外骨骼只能依靠连接处轴的转动来对穿戴者提供支撑力,这也就意味着其形变范围非常有限。而软体塑料线不受连接轴的限制,拥有更大的形变范围,因此穿戴者可以转身、扭动跨步。

它的核心功能还在于可以通过腰部集成的传感器对人体姿势进行检测,方便不同行动之间的模式转换,不碍事也不会造成损伤。

6、PhoeniX:最轻的行走外骨骼

2016年加州公司suitX发布了可移动机械外骨骼PhoeniX,主要面向的是残疾人士,其利用发动机帮助穿戴者移动双腿。

早在2005年suitX就与已经成为外骨骼产品市场领导者的Ekso Bionics合作,目前客户主要为脊髓损伤患者、运动损伤患者、大脑麻痹患者和体力劳动者,面向家庭、社区包括儿童在内的各个年龄阶段的患者。

PhoeniX最大的特点在于极简,这个行走的外骨骼,脚下没有传感器,膝盖没有制动器,重量只有12.25kg。极简的设计外加先进的嵌入式智能微小组件是PhoeniX能够控制其重量和成本的重要原因,外骨骼设计采用模块化设计,主要分为一个髋关节模块,2个膝关节模块和2个脚模块,客户可以单独使用或连接在一起,形成一个完整的系统,模块化的外骨骼设计能够使患者身体的每个部分都动起来。

这不仅削减了不必要的重量和体积同时也会让电池的寿命延长,在完全组装安装,充电完成的状态下可以不间断连续4个小时的行走,最高步行速度达到每小时约1.8公里。Phoenix目前还在等待FDA的批准,在美国市面上出售的价格约为四万美元。

7、 Soft Exosuit:与众不同的柔性外骨骼

DARPA(美国国防部高级计划研究局)与哈佛大学的生物工程研究所签订了290万美元的合同,用于开发柔韧的机器外骨骼装置,增强士兵和普通人的力量,帮助行动不便和瘫痪人士重新站立起来。

所开发的装置被称为柔性机器护甲(Soft Exosuit),其功能与其他机器外骨骼装置差不多。但不同之处在于,柔性机器护甲不像之前的装置那么笨重,而是会很轻具有柔韧性。它由编织成带状的纺织物组成,能包裹在使用者的腰部和腿部,内置微处理器、传感器和能源。此外,腰部还会置入马达,用于提供力量和机动性。

8、尖叫科技:人工智能的外骨骼辅助系统

尖叫科技于2015年成立,专注人工智能机器人外骨骼辅助系统开发,包含硬件和云端平台。

尖叫科技外骨骼机器人为开放式的机械外骨骼平台,通过硬件和软件二者的协作,由环境传感器、人体传感器和动力结构构成的硬件,加上人机交互指令与算法和云端引擎构成的软件,实现了类似人类“植物神经”的独立运行平台,具有身随意动的自动反应能力和承载能力。

与市场大多产品不同的是尖叫科技不依赖纯编程技术,而是通过人工智能和深度神经网络学习技术,实现高级人机交互和智能化的外骨骼产品。

目前,尖叫已经推出推出下肢版和腰部版外骨骼两款产品,即将进入临床和报备,其中下肢版主要针对下肢助力和康复训练,产品重量10斤左右,续航能力在5天左右,足以满足一般的康复需求和家庭场景的使用。腰部版则针对腰部助力和康复训练。2014年宣布获得3000万元Pre-A轮融资,曾在2014年被OFweek机器人网评为全球外骨骼机器人十强。

9、迈步:全球首次采用柔性驱动器 价格仅为国外同类产品1/3

迈步机器人成立于2016年,是一家从外骨骼机器人切入市场的初创企业,帮助下肢运动功能障碍患者重新获得行走能力。

今年4月份完成使轮融资,由联想创投集团领投。相比于其他外骨骼机器人,迈步机器人的外骨骼最大的优势是采用了柔性驱动器以及和此驱动器相匹配的控制算法,可以提供精确稳定的人机交互控制,极大的提升安全性和舒适性。目前现存的外骨骼机器人产品均采用的是刚性驱动器。

迈步机器人自去年9月成立以来,短短1年时间便取得重大突破:完成了第三代柔性驱动器和外骨骼机器人、机器人外观设计、机器人系统软硬件集成、与医院达成联系及后续合作、完成天使轮融资、达成与其他公司合作开发机器人项目两个。

今年11月正式对外发布第一款产品——第三代外骨骼康复机器人BEAR H1,是穿戴式下肢外骨骼机器人,有带动力的6关节,即双腿的髋关节、膝关节和踝关节,目前国内外现存的外骨骼产品大多只有4个关节。BEAR H1采用了新型柔性驱动器,运用了AI技术致力于完善机器人交互问题。

10、傅里叶:首款具有“触觉”的外骨骼机器人

今年3月,傅利叶智能发布了首款下肢外骨骼机器人Fourier X1,主要面向瘫痪或偏瘫患者,为其提供康复帮助和行走能力。

目前Fourier X1推出了两个版本,第一个版本主要应用于医院的康复治疗场景,另一个版本将用于家庭场景,协助康复病人在家中更好的进行下肢行走和康复。

Fourier X1是首款“具有触觉”的外骨骼机器人,可通过力传感器感知用户的运动轨迹。当患者需要迈步向前时,Fourier X1可以实时提供患者迈步需要的抬腿和向前跨步的力量,帮助有步行功能障碍的用户进行步行训练与辅助行走。

同时它实现了力反馈技术、建立外骨骼优化步态数据库、模块化电池管理等核心技术,可全面涵盖从软瘫期至康复期的训练需求,并已在全国各大医院康复科成功投入使用。

傅利叶智能作为唯一的中国企业被邀请参加今年4月在美国凤凰城举办的全球可穿戴机器人技术年会(WearRACon 2017),并作主题演讲。傅利叶智能在国际也受到如此关注,这与Fourier X1这款中国自主研发的外骨骼机器人本身所具备的突破性技术有关。

(二)康复训练外骨骼机器人

1、Hocoma:产品系列丰富,垄断我国高端康复机器人市场

瑞士HOCOMA AG公司成立于1996年,作为国际知名的医疗康复机器人公司,具有四款核心康复机器人产品。

Lokomat:是一款能够提供即时反馈与评估的步态训练机器人,对中风、脊髓损伤 、创伤性脑损伤、多发性硬化症等神经系统疾病患者有良好的康复效果。

目前,Lokomat几乎垄断中国高端康复机器人市场。Armeo:是一款能够提供即时反馈与评估的上肢康复机器人,支持从肩膀到手指的完整的运动链治疗,能够根据患者的情况自动提供协助。

即使是症状严重的患者,也能用此款设备进行高强度的早期康复治疗。Erigo:是一款集成的倾斜机器人系统,用于长期卧床病人的早期神经康复训练。Valedo 系列:用于背部疼痛治疗,包括 Valedoshape、Valedomotion 和 Valedo 三款产品,分别用于脊柱评估、诊所治疗和家庭治疗。

2、Woodway:扎根我国中端市场

美国 WOODWAY 公司成立于 1975 年,一直专注于研制设计独特、性能卓越、可靠耐用的竞技训练、商业健身及医疗康复专业平台。

该公司的康复机器人主要两款,LokoHelp:是一款用于康复运动的步态训练机器人,除了可以减轻康复治疗师的工作强度外,还能提高康复治疗的效果。

KineAssist:是一款能够模拟实际生活环境的康复训练机器人,可以提供包括平地走,爬坡,站立平衡,动态平衡等运动疗法。除康复训练机器人外,该公司还有多款康复评定智能设备。

3、大艾外骨骼机器人:新兴的强劲势力

北京大艾机器人科技有限公司孵化出大艾外骨骼机器人项目,研发团队来自于北航医疗机器人实验室,大艾外骨骼机器人是国内唯一专业医用的外骨骼机器人,唯一顶级脊柱损伤医疗专家支持、为专业康复设计的外骨骼机器人。

主要有两款核心产品:Ailegs艾动,为双足型下肢外骨骼康复机器人,能为脑损伤、脊髓损伤患者进行康复训练以及提供辅助行走功能。Aiwalker艾康,为移动台架型下肢外骨骼康复机器人,在Ailegs功能基础上,为患者提供准确合理助力、正确步态引导、全方位保护、身体支撑等功能。

Ailegs

 Aiwalker

在2017年首届中国高科技成果交易会上,大艾外骨骼康复机器人荣获特别金奖。

12月,大艾机器人项目荣膺由英国约克公爵安德鲁王子建立的全球创新孵化平台“龙门创将(Pitch@Palace)”年度全球总决赛第二名,得到了安德鲁王子及全球150余位国际商界领袖、专家学者和投资机构代表的高度认可。

4、美的康复机器人:强强联手打造外骨骼康复机器人

近年来,美的收购德国库卡、携手日本安川,可以讲在升级转型的道路上大步向前行进。

美的于2015年与世界知名四大自动化设备制造商之一安川电机设立合资公司,首先聚焦助老助残机器人、康复护理机器人等商业领域。借助双方合资公司的平台,计划在2019年推出10-15款面向养老康复市场的机器人产品,将面向中国的医疗机构和护理中心等商业客户销售。

除携手安川电机外,还收购了德国“工业4.0”的典范企业库卡,库卡在汽车工业机器人领域排名全球第一,双方有望联合开发中国机器人市场,并在工业机器人、服务机器人、第三方物流领域创造显著协同效应。

通过携手安川,收购库卡,美的业务多样性和盈利能力将得到提升,同时为机器人业务核心部件提供技术保障。目前共推出了四款新品,分别是下肢康复训练系统、四肢联动多体位训练系统、智能护理机和上下肢主被动回转训练系统。

美的集团还与国家康复辅具研究中心签署了战略合作框架协议,成立了“康复机器人联合实验室”,希望以服务机器人为切入点,与中心在产品研发、人才培养、实验室建设、成果转化和学术交流等方面开展长期、全面、稳定的合作。

5、安阳神方:中国首家注册的上肢康复机器人

安阳神方成立于2010年,公司是参与制定国家上肢康复机器人产品标准的唯一一家企业,首家取得上肢康复机器人产品医疗器械注册证。

主要从事肢体功能康复及评估设备的研制,主要产品为系列化、单元化的上肢康复机器人和下肢康复机器人,其中上肢康复机器人主要有三自由上肢康复机器人、四自由上肢康复机器人、六自由度上肢康复机器人等9种型号,下肢康复机器人有坐卧式下肢康复机器人,适用对象是脑中风、手术、外伤引起的肢体运动功能障碍患者的康复治疗训练及评估。

2015年公司引入了第一轮1500万元的投资,2016年继续引进战略合作伙伴,计划五年内在中小板或创业板上市。

6、上海璟和

上海璟和技创机器人有限公司推出的Flexbot,主要是针对因脑中风、颅脑损伤、脊髓损伤等疾病引起的下肢运动功能障碍患者,用机器人辅助其进行步态训练,重塑患者大脑运动功能,使患者重新掌握步行运动技能。主要面向医疗机构、康复中心和残联。

目前已有30多台来自璟和的康复机器人已在全国范围内使用。璟和技创由钱璟集团与章和电气合资成立,钱璟集团为中国康复器械研发、生产及销售领军企业,产品销往2000多家医院。章和电气2000年成立于香港,全球前50的工厂有85%使用章和电气的产品。

7、台湾上银

上银科技是台湾最大的机械厂商,也是全球线性传动领导品牌, 2009 年在台湾证券交易所挂牌上市。

自行研发的产品从大型到微型的滚珠螺杆、线性滑轨、工业机器人等,打破日、德长年垄断的精密机械市场。

上银科技以“下肢康复训练机”作为跨足医疗用机器人的试金石,定位高端市场。目前已通过台湾 TFDA 认证、欧盟医疗器材 CE 认证、与大陆 CFDA 认证,第1批10台下肢复康复训练机预计今年4月正式在大陆开卖。

上银“下肢康复训练机”在全球已与多个医学中心合作,在大陆就有10多家医疗机构感兴趣并有意与上银合作,医疗经销体系也布建完成。临床上已经超过4000位病人体验过HIWIN下肢康复训练机,具备早期介入治疗能力,可以快速帮助病人恢复体力与基本之运动控制能力。在使用6周后有超过 85% 病人在平衡感与肌耐力都有明显进步。

8、睿瀚医疗:专注外骨骼机械手

睿瀚医疗目前已经自主研发了三大类手部康复机器人产品:网络化智能自驱式手部康复系统(I代)、可穿戴式手部康复机器人(II代)、脑控手部康复机器人(III代)。

I代产品是针对C端社区医疗机构,用户戴上设备,每天上午下午各训练一个小时,康复周期为3个月。系统每天会根据训练情况,给出一份训练报告,报告中会展现训练成果、建议等,售价2万。可穿戴式手部康复机器人是针对B端的客户,并由基础的肌肉康复向大脑的神经元康复提升,用手部残存的机电信号去控制康复机械手,售价20万左右。

III代产品也是针对B端的客户,它结合了虚拟现实技术、脑机接口技术和机器人技术,目的是为了打通手、脑之间的神经通道,售价200万左右。

在申请医疗器械认证资格之前,睿瀚医疗正在准备临床实验的数据结果,目前II代与III代已经与北京清华长庚医院成立了产学研合作临床研究基地。睿瀚医疗在去年12月已完成众合创投领投、清锐创投跟投的780万天使轮融资,目前正在筹备Pre-A轮,期望融资1200万。

9、广州一康

广州一康成立于2000年,产品主要分为MINATO、运动康复、物理治疗和康复评定四个系列,包括A1-下肢智能反馈训练系统、A2-上肢智能反馈训练系统、A3-步态训练与评估系统、A4-手功能训练与评估等。

产品主要包括上、下肢智能反馈训练系统,通过实时模拟人体手指与手腕运动规律开发而成,具有手指屈肌肌力信号与伸肌肌力信号评估功能,同时既可以训练手,也可以训练腕部。

四、 外骨骼康复机器人行业发展前景

1.  市场潜力巨大,挖掘万亿市场空间

外骨骼康复机器人属于高新技术产业,具有高投资、高风险、高附加值的特点,并具有部分公共产品的属性,需要政府的引导与扶持。

工业和信息化部、发展改革委、财政部联合印发 《机器人产业发展规划(2016-2020 年)》,提出了我国机器人产业“十三五”总体发展目标,即形成较为完善的机器人产业体系,要求在2020年,在产业规模上,助老助残、医疗康复等领域实现小批量生产及应用,在技术水平上,医疗健康、家庭服务、反恐防暴、救灾救援、科学研究等领域的服务机器人接近国际水平。

据统计,2015年60岁及以上人口达2.22亿,占总人口16.15%。预计到2020年,老年人口将达2.48亿,老龄化达17.17%,其中80岁以上老年人口将达3067万人;2025年,六十岁以上人口将达3亿,中国庞大的人口老龄化带来的巨大市场契机,国家政策引导加上庞大市场需求,外骨骼康复机器人将成为刚需。

2.       技术难点、成本高成为主要制约因素

通过美国发布的机器人外骨骼系统招标书,可以看到目前制约行业发展的三个难点——结构材料、能源动力、控制系统。

在结构材料方面必须使用坚固、轻型材料,才能有效保护穿戴者;能源动力系统必须满足24小时标准强度的作业,且便于更换维修;控制系统方面要能够实现同步使用者动作,加强使用者的力量并能作跳跃跑步等动作。

以上三个难点制约了该产业的发展,但难点同时也是创新的突破点,掌握外骨骼康复机器人的核心技术,将占领行业制高点。

居高不下的成本也是一大难题,外骨骼机器人要达到最佳的效果,必须采用最合适的材料和最先进的技术,导致其造价昂贵。

Ekso Bioncs的外骨骼机器人价格达到7万5千至15万美元;Rewalk外骨骼机器人达6万5千至 13万美元;HAL-5 外骨骼机器人为5万美元。目前对外销售的个人用外骨骼机器人平均售价10万美元,相当于脊髓损伤患者5年的定期护理成本,对个人消费者来说,比较昂贵。

外骨骼机器人昂贵的价格,只有在保险公司补贴的情况下才能被更多患者负担得起。但是目前,愿意提供保险补贴的仍然不多。

五、 结语

从全球来看医疗机器人产业化和技术突破都正处于甜点期,如达芬奇、Rewalk 等优秀科技企业涌现,而部分国内自动化企业依托于科研院所的合作、引进国外技术等资源,也在积极研发医疗机器人产品,处于产业化前期阶段。

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外骨骼康复机器人作为医疗机器人的重要领域分支,国内尚处于机构用户普及阶段,保守潜在市场空间约180亿,是未来几年投资大机遇,必然成为机器人行业的又一革命阵地。

作者:谢安然

来源:思宇器械观察

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